超聲輔助減壓蒸餾技術(shù)提取山蒼子油的研究

杜惠蓉 朱輝 陳安銀

摘要：在超聲輔助條件下，通過減壓蒸餾技術(shù)結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化山蒼子油的提取條件，以期建立更高效的提取方法。在單因素設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，選取液料比、粒度大小、超聲時(shí)間、減壓蒸餾溫度4個(gè)影響山蒼子油提取率的主要因素，建立多元回歸擬合分析，確定山蒼子油提取的最佳工藝條件為：液料比3.2∶1，減壓蒸餾溫度76℃，粒度大小80目，超聲時(shí)間35 min。該條件下山蒼子油的提取率為6.94%，比常規(guī)水蒸氣蒸餾法提取率提高33.98%。氣相色譜儀分析結(jié)果表明，所得山蒼子油中檸檬醛含量為87.65%，品質(zhì)較好。

關(guān)鍵詞：山蒼子油；超聲輔助；減壓蒸餾；響應(yīng)面法；提取率

中圖分類號(hào)：S573+.809.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2018）02-0133-06

Abstract To establish a higher efficient method for extracting Litsea cubeba oil，the extraction conditions were optimized by the combination of vacuum distillation technique with the response surface method under the ultrasonic-assisted condition. Based on the single factor design， the effects of liquid to solid ratio， particle size， ultrasonic time and distillation temperature on the extraction rate of Litsea cubeba oil were analyzed for establishing the quadratic regression model equation. The optimum conditions for L. cubeba oil extraction were selected as liquid to solid ratio of 3.2∶1， distillation temperature of 76℃， particle size of 80 mesh and ultrasound time of 35 minutes. The extraction rate of L. cubeba oil under the optimum conditions was 6.94%， which was 33.98% higher than the extraction rate of the conventional steam distillation method.The gas chromatography analysis showed that the citral content in the L. cubeba oil was 87.65%， and the quality was better.

Keywords Litsea cubeba oil； Ultrasonic-assisted； Vacuum distillation； Response surface method； Extraction rate

山蒼子（Litsea cubeba）是一種重要的香料植物，又名山雞椒、山胡椒或木姜子，屬樟科木姜子屬落葉灌木或小喬木，廣泛分布在我國南方的四川、云南、貴州、廣西等省份。從山蒼子果實(shí)中提取的淺黃色山蒼子油，具有檸檬香氣，其主要成分為檸檬醛，是合成多種高檔香料的主要原料，其在醫(yī)藥、食品、化工方面也具有廣泛應(yīng)用[1]。

我國山蒼子資源豐富，山蒼子油產(chǎn)量大，但由于加工技術(shù)手段落后，這一寶貴資源的開發(fā)利用長期處于粗制賤賣狀態(tài)[2]。目前提取山蒼子油的方法有水蒸氣蒸餾法、超臨界二氧化碳萃取法、有機(jī)溶劑萃取法、壓榨法等[3]。水蒸氣蒸餾法是傳統(tǒng)提取方法，存在產(chǎn)率低、油品質(zhì)差等問題；超臨界二氧化碳萃取法工藝設(shè)備要求高；有機(jī)溶劑萃取法易造成溶劑殘留和引入新的雜質(zhì)等問題；壓榨法產(chǎn)率低，雜質(zhì)較多。目前急需一種提取率高且對(duì)工藝設(shè)備要求和投入低、適宜大規(guī)模生產(chǎn)的提取方法。

本試驗(yàn)首次將超聲輔助提取法[4]和減壓蒸餾技術(shù)相結(jié)合對(duì)山蒼子油的提取工藝進(jìn)行研究。該提取工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：減壓蒸餾狀態(tài)下，山蒼子中揮發(fā)性成分較易提取；提取溫度較低，可減少檸檬醛的氧化；響應(yīng)面法（RSM）全面考察和優(yōu)化山蒼子油的提取工藝條件[5-8] ，提高出油率和檸檬醛純度。本研究還參考李丹等[9]的方法，對(duì)山蒼子油進(jìn)行了品質(zhì)分析和評(píng)價(jià)。本研究可為提高山蒼子的出油率和制備高純度檸檬醛提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

山蒼子于2017年7月上旬采摘于四川達(dá)州鳳凰山，由成都中醫(yī)藥大學(xué)馬云桐教授鑒定。GC-2014C型氣相色譜儀（日本島津有限公司）；DS-3510DTH型超聲波提取儀（上海生析超聲儀器有限公司）；2XZ-15型真空泵（上?？崛鸨瞄y制造有限公司）；FZ102型微型植物粉碎機(jī)（上海書培實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；減壓蒸餾裝置由本實(shí)驗(yàn)室搭建。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 提取工藝和操作要點(diǎn) 山蒼子鮮果（稱重）→剝皮（除核）→粉碎→過篩→稱重→浸泡→超聲→減壓蒸餾→山蒼子油。

山蒼子油提取率（%）= 山蒼子油質(zhì)量/山蒼子果肉質(zhì)量×100。

剝皮除核過程中要避免長時(shí)間暴露在高溫環(huán)境中，從而減少山蒼子油揮發(fā)；浸泡過程中加入果肉質(zhì)量0.1%的NaCl；減壓蒸餾操作中，抽真空后再加熱蒸餾，降低高溫條件下檸檬醛的氧化速率。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 按照1.2.1 提取工藝進(jìn)行單因素分析，分別考察液料比、粒度大小、超聲時(shí)間、減壓蒸餾溫度4個(gè)因素對(duì)山蒼子油提取率的影響。在進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí)，除被考察單因素外，其他3個(gè)因素均設(shè)定為相同的固定值。設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)，取其平均值。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用響應(yīng)面法對(duì)減壓蒸餾提取山蒼子油工藝條件進(jìn)行四因素三水平試驗(yàn)分析。利用Design-Expert 8.0.6軟件綜合評(píng)價(jià)單因素最佳組合，最終確定最優(yōu)的山蒼子油提取工藝條件[10，11]。

1.2.4 山蒼子油成分氣相分析 色譜柱：HP-5彈性石英毛細(xì)管柱（30.0 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣：N2， 流速1.5 mL/min，恒流模式；進(jìn)樣口溫度230℃；分流比 10∶1；柱溫：初始溫度70℃，保持4 min，以5℃/min升至200℃；檢測器溫度250℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 液料比對(duì)山蒼子油提取率的影響 在減壓蒸餾溫度70℃、粒度60目、超聲時(shí)間60 min條件下，配置不同的液料比并提取山蒼子油，計(jì)算其提取率，結(jié)果如圖1所示。當(dāng)液料比低于3時(shí)，隨液料比的增加，提取率逐漸提高，其中液料比在1～2之間時(shí)提取率增幅較為明顯；當(dāng)液料比高于3時(shí)，提取率呈下降趨勢(shì)；當(dāng)液料比為3時(shí)，提取率最高，為6.66%。在液料比小的情況下，山蒼子果肉在水中不能充分摩擦沸騰，導(dǎo)致出油率較低；當(dāng)液料比增加到一定程度，山蒼子油在水中的溶解度增加，也使提取率下降。因此，選取液料比2∶1、3∶1、4∶1三個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2.1.2 減壓蒸餾溫度對(duì)山蒼子油提取率的影響 在液料比3∶1、粒度60目、超聲時(shí)間60 min條件下，設(shè)置不同的減壓蒸餾溫度并提取山蒼子油，計(jì)算其提取率，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)溫度低于80℃時(shí)，提取率隨溫度的升高而提高；溫度高于80℃，提取率反而降低；當(dāng)減壓蒸餾溫度為80℃時(shí)，提取率最高，為6.81%。隨著溫度的升高，山蒼子油的揮發(fā)加快，當(dāng)蒸餾溫度高于80℃時(shí)，提取率降低，推測可能與設(shè)備不能充分冷卻收集揮發(fā)油有關(guān)，也可能隨著溫度的升高山蒼子油在水中溶解度提高，間接導(dǎo)致了提取率降低。因此選取減壓蒸餾溫度70、80、90℃三個(gè)水平因子進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2.1.3 粒度大小對(duì)山蒼子油提取率的影響 在液料比3∶1、減壓蒸餾溫度70℃、超聲時(shí)間60 min條件下，選取不同粒度大小的物料并提取山蒼子油，計(jì)算其提取率，結(jié)果如圖3所示。隨物料粒度目數(shù)的增加，提取率越來越高，當(dāng)粒度目數(shù)為80時(shí)，提取率最高，為6.74%。隨著粒度目數(shù)增加提取率提高的原因，可能是因?yàn)榱６饶繑?shù)越大山蒼子果肉的表面積也越大，其接觸溶劑的面積增加，揮發(fā)油越易揮發(fā)，提取率提高。但是，如果粒度目數(shù)過大，山蒼子果肉過細(xì)，在提取過程中易導(dǎo)致受熱不均而發(fā)生頂沖和糊化等現(xiàn)象，不利于儀器的操作控制。且一旦發(fā)生頂沖，必須重新提取，加大工作量。所以合適的粒度大小是高效提取山蒼子油的必要條件。因此選取粒度大小40、60、80目三個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2.1.4 超聲時(shí)間對(duì)山蒼子油提取率的影響 在液料比3∶1、減壓蒸餾溫度70℃、粒度60目條件下，選擇不同的超聲時(shí)間并提取山蒼子油，計(jì)算其提取率，結(jié)果如圖4所示。隨著超聲時(shí)間的增加，提取率呈現(xiàn)先升高后緩慢降低的趨勢(shì)，且超聲時(shí)間為30 min時(shí)，提取率最高，為6.73%。其后隨著超聲時(shí)間的延長提取率降低的原因，初步推斷可能在超聲過程中，物質(zhì)之間相互摩擦，導(dǎo)致溶劑溫度升高，加快山蒼子油揮發(fā)，間接導(dǎo)致提取率降低。因此選取超聲時(shí)間10、30、60 min三個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化山蒼子油提取工藝

2.2.1 試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)山蒼子油提取率有明顯影響的液料比、粒度大小、超聲時(shí)間、減壓蒸餾溫度4個(gè)因素，采用四因素三水平的響應(yīng)面法進(jìn)行綜合分析，確定提取山蒼子油的最優(yōu)組合工藝條件。試驗(yàn)水平和因素設(shè)計(jì)見表1。

2.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果分析 根據(jù)Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，山蒼子油提取工藝試驗(yàn)方案和結(jié)果見表2。分為24個(gè)析因試驗(yàn)和5個(gè)中心試驗(yàn)，析因試驗(yàn)是自變量A、B、C、D所組成的三維定點(diǎn)模型的析因點(diǎn)；中心試驗(yàn)是零點(diǎn)區(qū)域所在的中心點(diǎn)，進(jìn)行5次重復(fù)，并估算試驗(yàn)誤差。

所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，以山蒼子油提取率為響應(yīng)值，得到自變量與提取率的二次多項(xiàng)回歸模型為：Y=6.39+0.12A-0.50B+0.46C-0.042D+0.34AB+0.13AC+0.05AD -0.005BC+0.08BD-0.18CD-0.35A2-0.22B2-0.10C2-0.05D2 。

式中：Y為山蒼子油提取率；A為液料比；B為減壓蒸餾溫度；C為粒度大小；D為超聲時(shí)間。

響應(yīng)面回歸模型方差分析和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果（表3）表明，模型F值為3.82，P值為0.0086（P<0.01），說明該模型具有高度的顯著性。F值、P值證明了此模型的可靠性，能較好分析和預(yù)測山蒼子油提取率。因素B和C對(duì)山蒼子油提取率有極顯著影響，A2和失擬項(xiàng)對(duì)山蒼子油提取率有顯著影響。根據(jù)F值大小可知，對(duì)山蒼子油提取率影響的優(yōu)先條件依次為：B、C、A、D，即減壓蒸餾溫度、粒度大小、液料比、超聲時(shí)間。

對(duì)公式進(jìn)行一階偏導(dǎo)數(shù)分析，帶入公式得出最佳工藝條件為液料比3.15∶1，減壓蒸餾溫度75.5℃，粒度大小77目，超聲時(shí)間34.5 min。此條件下山蒼子油提取率預(yù)測值為7.04%。

2.2.3 最佳條件驗(yàn)證 為驗(yàn)證此方法的準(zhǔn)確性，根據(jù)現(xiàn)實(shí)操作條件，將最佳提取條件更改為：液料比3.2∶1，減壓蒸餾溫度76℃，粒度大小80目，超聲時(shí)間35 min，此條件下的山蒼子油提取率為6.94%，為預(yù)測值的98.58%。為進(jìn)一步驗(yàn)證本提取技術(shù)的效率，在同等條件下采用水蒸氣蒸餾法提取山蒼子油，提取率為5.18%。因此，超聲輔助減壓蒸餾技術(shù)比常規(guī)水蒸氣蒸餾法的提取率提高了33.98%，增幅較為顯著?？梢姶四Ｐ湍軌蜉^好地反映減壓蒸餾技術(shù)提取山蒼子油的條件和有效性。

2.2.4 因素相互交叉作用分析 把四因素中任意兩個(gè)保持在最佳水平，另外兩個(gè)因素對(duì)山蒼子油提取率的影響如圖5所示。

響應(yīng)曲面越陡峭說明兩因素交叉影響越顯著，反之響應(yīng)曲面越平緩，兩因素對(duì)提取率交叉影響不大。圖5結(jié)果表明，減壓蒸餾溫度對(duì)山蒼子油提取率的影響最大，然后依次為粒度大小、液料比和超聲時(shí)間，該結(jié)果與響應(yīng)面回歸模型方差分析的結(jié)果相一致。

2.3 山蒼子油成分分析

對(duì)最佳條件下提取的山蒼子油進(jìn)行氣相分析，結(jié)果如圖6所示?？鄢軇┓搴蟛捎梅迕娣e歸一化法計(jì)算各個(gè)峰的相對(duì)百分含量，其中峰1為檸檬醛a（40.94%），峰2為檸檬醛b（46.71%）。由于檸檬醛包括檸檬醛a和檸檬醛b兩個(gè)很難分開的順反異構(gòu)體，在測定分析檸檬醛含量時(shí)，通常是檸檬醛a和檸檬醛b兩種成分的總和。本研究所得山蒼子油中檸檬醛含量為87.65%，表明此工藝所得山蒼子油品質(zhì)優(yōu)于同類產(chǎn)品。

3 討論與結(jié)論

本研究利用減壓蒸餾技術(shù)提取山蒼子油，提取率達(dá)6.94%，其中檸檬醛含量為87.65%，比目前常用的高壓蒸氣蒸餾技術(shù)提取山蒼子油的提取率高1.34個(gè)百分點(diǎn)[12]；鄧楠等[13] 研究表明，山蒼子油提取率為3.06%，通過GC-MS分析，得到了26種化合物，而檸檬醛含量僅為32.52%。本研究以提取檸檬醛為目的，優(yōu)化其提取工藝，而忽略山蒼子油中其他成分的提取，說明提取方法的差異，導(dǎo)致檸檬醛含量差異較大。利用響應(yīng)面優(yōu)化法對(duì)影響山蒼子油提取率的幾個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)減壓蒸餾溫度對(duì)提取率的影響極為顯著，在因素相互交叉作用分析中也進(jìn)一步證實(shí)了該結(jié)論。另外，在設(shè)備投入上，減壓蒸餾技術(shù)對(duì)設(shè)備的要求和高壓蒸氣蒸餾技術(shù)相當(dāng)，比超臨界萃取技術(shù)要求低；在工藝復(fù)雜程度上，和高壓蒸氣蒸餾技術(shù)相當(dāng)，比超臨界萃取技術(shù)和溶劑萃取技術(shù)要低。

在單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法的基礎(chǔ)之上，根據(jù)回歸模型方差分析和最佳條件驗(yàn)證，確定了超聲輔助減壓蒸餾技術(shù)提取山蒼子油的最優(yōu)條件為：液料比3.2∶1，減壓蒸餾溫度76℃，粒度大小80目，超聲時(shí)間35 min。該條件下山蒼子油提取率為6.94%，僅比預(yù)測值低0.10個(gè)百分點(diǎn)。山蒼子油氣相分析結(jié)果表明，山蒼子油中檸檬醛含量為87.65%，品質(zhì)較好。采用超聲輔助減壓蒸餾技術(shù)顯著提高了山蒼子油的提取率和品質(zhì)。該提取方法設(shè)備簡單、投入低，適合產(chǎn)地工業(yè)化應(yīng)用，可在一定程度上解決山蒼子果實(shí)采摘后易腐爛的問題。

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